Биоокисление. Метаболизм углеводов. Тема 6

1.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Окислительное фосфорилирование
создает условия для образования АТФ универсальной формы энергии в живых
организмах.
1

2.

Хемиосмотическая
теория
• Предложена Питером
Митчелом в 1960
Нобелевская премия, 1978.
Хемиосмотическая
теория:
т ранспорт
элект ронов и синт ез АТФ объединены
прот онным градиент ом через внут реннюю
мембрану мит охондрий.
2

3.

+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
1. Необходима интактная митохондриальная мембрана
2. Транспорт электронов через ЭТЦ генерирует прот онный
градиент
3. AТФ синт аза катализирует фосфорилирование АДФ в
реакции, которая обеспечивается прохождение Н+ через
внутреннюю мембрану в матрикс
3

4.

АТФ синтаза
Две субъединицы, Fo и F1
F1 содержит каталитические
субъединицы, где АДФ и Pи
связываются.
F0 пронизывает мембрану и
служит как протонный канал.
Энергия, которая
освобождаетсяться при
прохождении” протонов
используется для синтеза АТФ.
4

5.

Активный транспорт ATФ, AДФ и Pи через
внутреннюю митохондриальную мембрану
• АТФ должен транспортироваться в цитозоль, а АДФ и Pи - в
матрикс
• AДФ/ATФ переносчик меняет митохондриальное ATФ на
цитозольное АДФ
• Фосфат (H2PO4-) транспортируется в матрикс по механизму
симпорта с H+.
• Переносчик фосфата снижает pH.
5

6.

РЕГУЛЯЦИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО
ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
Сопряжение тканевого дихания с окислительным
фосфорилирование
Транспорт электронов тесно связан с фосфорилированием.
АТФ не может быть синтезировано путем окислительного
фосфорилированием если нет энергии освобожденной при
электронном транспорте.
Электроны не проходят через электрон-транспортную цепь
если АДФ не фосфорилируется к АТФ.
Основные регуляторы: НАДН, O2, AДФ
Внутримитохондриальное соотношение АТФ/АДФ является
контрольным механизмом
Високое соотношение ингибирует так как АТФ аллостерически
6
связывается с комлексом IV

7.

Дыхательный контроль
Регуляция скорости окислительного
фосфорилювания с помощью уровня АДФ
называется дыхат ельным конт ролем.
7

8.

Разобщение тканевого дыхания и окислительного
фосфорилирования
Внутренняя митохондриальная мембрана содержит
разобщительный белок (Термогенин, uncoupling protein).
Разобщительный белок образует канал для перехода протонов из
цитозоля в матрикс.
8

9.

9

10.

Разобщающие протеины являются трансмембранными
белками, которые уменьшают градиент протонов в
окислительном фосфорилировании. Они увеличивают
проницаемость внутренней митохондриальной мембраны,
позволяя протонам, перенесенным в межмембранное
пространство, возвращаться в митохондриальный матрикс.
Производство тепла при помощи UCP1 в бурой жировой
ткани происходит с разобщением клеточного дыхания и
фосфорилирования,
то
есть
быстрое
окисление
питательных веществ происходит с низкой интенсивностью
производства АТФ.
UCP2 обнаруживается в различных тканях и считается, что
он участвует в регуляции реактивных форм кислорода.
Были обнаружены другие гомологи UCP1, включая UCP3,
UCP4, BMCP1 (он же UCP5).
10

11.

Разобщители
• Разобщители являются жирорастворимыми слабыми
кислотами
• Разобщители снижают протонный градиент
транспортируя протоны через мембрану
2,4-Динитрофенол – эффективный разобщитель
11

12.

Выход АТФ
10 протонов выкачивают из матрикса во время транспорта двух
электронов с НАДН к O2 (комплекс I, III и IV).
3
4
4
2
Перенесение 3H+ необходимо для синтеза одной молекулы АТФ
АТФ-синтазой
1 H+ необходимый для транспорта Pи.
4 H+ используется для каждой синтезированной АTФ
Для НАДН: 10 H+/ 4H+ = 2.5 АТФ
Для ФАДН2: 6 H+/ 4 H+ = 1.5 ATФ
12

13.

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ - 1
На протяжении
столетий пекари и
пивовары
используют
превращение
глюкозы к
этанолу и CO2 в
процессе
гликолиза в
дрожжах
13

14.

Гликолиз наиболее ранее открытый и наиболее
важный процесс метаболизма углеводов
Гликолиз – метаболический путь, в котором
глюкоза превращается в пируват с образованием
небольшого колличества энергии в форме АТФ и
НАДН.
Гликолиз – анаэробный процесс.
Гликолиз осуществляется и в анаэробных и в
аэробных организмах.
В гликолизе одна молекула глюкозы превращается в
две молекулы пирувата.
Гликолиз осуществляется в цитозоле.
14

15. 1. Гексокиназа

10 реакций гликолиза
1. Гексокиназа
• Переносит фосфорную группу с АТФ к глюкозе с
образованием глюкозо-6-фосфата.
• Четыре киназы действуют в гликолизе: стадии 1,3,7 и 10.
• Все четыре киназы требуют ион Mg2+ и похожи по механизму
действия.
15

16.

2. Глюкозо-6-фосфат изомераза
• Превращает глюкозо-6-фосфат в фруктозо-6-фосфат.
16

17.

3. Фосфофруктокиназа-1 (ФФК-1)
• Катализирует перенесение фосфорной группы с АТФ на
фруктозо-6-фосфат с образованием фруктозо-1,6дифосфата.
17

18. 4. Альдолаза

• Расщепляет гексозу - фруктозо-1,6-дифосфат на две
триозы: глицеральдегид-3-фосфат и
дигидроксиацетонфосфат.
18

19.

5. Триозофосфат изомераза
• Превращает ДГАФ в ГАФ
• Реакця обратимая. При Равновесии 96% ДГАФ и 4 % ГАФ.
19

20.

6. Глицеральдегид 3-фосфат
дегидрогеназа
• Превращение ГАФ в 1,3-дифосфоглицерат
• Молекула НАД+ восстанавливается в НАДН
20

21.

7. Фофоглицераткиназа
• Переносит фосфатную группу с 1,3-дифосфоглицерата
на АДФ с образованием ATФ и 3-фосфоглицерата субстратное фосфорилирование
21

22. 8. Фосфоглицератмутаза

• Катализирует перенесение фосфатной группы с
одной части молекулы к другой.
22

23. 9. Энолаза

• 2-Фосфоглицерат превращается в фосфоэнолпируват
• Фосфоэнолпируват имеет высокий фосфорилтрансферный потенциал
23

24. 10. Пируваткиназа

• Катализирует реакцию
субстратного
фосфорилирования:
• Необратимая реакция
• Регуляторная реакция
24

25. Общая реакция гликолиза

Во время превращения глюкозы к пирувату:
• Две молекулы АТФ вырабатываются
• Две молекулы НАД восстанавливаются с
образованием НАДН
Глюкоза+ 2 AДФ + 2 НАД+ + 2 Pн
2 Пируват + 2 ATФ + 2 НАДН + 2 H+ + 2 H2O
25

26.

Научные исследования ферментации виноградного
сахара были первыми исследованиями гликолиза
26

27.

Судьба
пирувата
27

28.

Метаболизм пирувата в этанол
Эт анол образуется из пирувата в дрожжах и некоторых
микроорганизмах в анаэробных условиях.
Две реакции:
1. Декарбоксилирование пирувата в ацетальдегид.
Фермент - пируват декарбоксилаза.
Кофермент – т иамин пирофосфат (B1)
2. Восстановление ацет альдегида в эт анол.
Фермент – алкогольдегидрогеназа
Кофермент – НАДН.
28

29.

Метаболизм пирувата в лактат
Лакт ат образуется
условиях.
из
пирувата
Превращение
глюкозы
в
молочнокислым брожением.
в
анаэробных
лактат
называется
Фермент - лакт ат дегидрогеназа.
Кофермент – НАДН.
29

30.

Глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6фосфат фосфоглюкомут азой.
30

31.

Непереносимость
молока
Непереносимость лактозы (гиполактазия) обусловлена дефицитом
лакт азы, которая расщепляет лактозу к глюкозе и галактозе.
Микроорганизмы в толстом кишечнике ферментируют непереваренную
лактозу в молочную кислоту генерируя метан (CH4) и водород (H2) –
что приводит к кишечным расстройствам, метеоризму.
Молочная кислота – осмотически активное вещество и задерживает
воду в кишечнике, приводит к диарее.
Газ и диарея ухудшают абсорбцию других веществ (жиров и белков).
Лечение:
- избегать продукт ов, которые
содержат лакт озу;
- фермент лакт аза перорально.
31

32.

Галактоземия
Нарушение метаболизма галактозы - галакт оземия.
Классическая галактоземия - это врожденный дефицит
галакт озо-1-фосфат уридилт рансферазы.
Симптомы:
- рвота, диарея после приема молока,
- увеличение печени, желтуха, цирроз,
- катаракта,
- летаргия и умственная отсталость,
- повышение галактозы в крови,
- появление галактозы в моче.
Лечение: исключить галактозу и лактозу из рациона.
32

33. Эффект Пастера

В анаэробных условиях
превращение глюкозы в
пируват происходит
намного быстрее, чем в
аэробных.
Эффект Пастера –
гликолиз в присутствии
кислорода протекает
медленнее.
• Больше АТФ образуется в аэробных условиях, чем в
анаэробных, потому в аэробных условиях
используется меньше глюкозы.
33

34.

Судьба глюкозы в клетке
Синтез
гликогена
Глюкоза
Пентозофосфатный путь
Глюкозо-6фосфат
Гликоген
рибоза,
НАДФН
Деградация
гликогена
Глюконеогенез
Гликоліз
Пируват
34

35.

Все клетки зависят от глюкозы.
Мозг особенно чувствителен к снижению уровня
глюкозы (дневная потребность глюкозы для
мозга 120 г).
Эритроциты используют как топливо только
глюкозу.
160 г глюкозы необходимо в день для всего организма.
Количество глюкозы в крови 20 г.
При длительном голодании организм должен синтезировать
глюкозу из неуглеводных предшественников
35

36.

Глюконеогенез – синтез глюкозы из
неуглеводных компонентов
• Печень и почки – основные органы синтеза
глюкозы
• Основные предшественники: лакт ат ,
пируват , глицерол и некоторые
аминокислот ы
• При голодании глюконеогенез поставляет
почти всю глюкозу для организма
• Глюконеогенез – универсальный путь.
36

37.

Глюконеогенез не является
обратимым гликолизом
В гликолизе глюкоза превращается в пируват;
в глюконеогенезе пируват превращается в
глюкозу.
Но, глюконеогенез не является обратимым
гликолизом.
Есть три необратимые реакции в гликолизе гексокиназная, фосфофрукт окиназная, и
пируват киназная.
37

38.

Bypass I: Пируват Фосфоэнолпируват
Первый шаг в глюконеогенезе - карбоксилирование
пирувата в оксалоацетат.
Фермент пируват карбоксилаза присут ствует т олько в
мит охондриях.
Пируват транспортируется в митохондрии из
цитоплазмы.
38

39.

Фосфоенолпируват карбоксикиназная реакция
Проходит в цитозоле.
Одна молекула АТФ и одна молекула ГТФ используются
для превращения пирувата в фосфоенолпируват.
39

40.

Bypass II: Фруктозо-1,6-дифосфат
фруктозо-6-фосфат
• Фермент фрукт озо-1,6-дифосфат аза
40

41.

Bypass III: Глюкозо-6-фосфат глюкоза
Глюкозо-6-фосфат не может дифундировать из клетки.
Образование свободной глюкозы регулируется двумя
путями:
фермент, который превращает глюкозо-6-фосфат в
глюкозу является регуляторным.
41

42.

Последняя реакция не осуществляется в цитозоле.
Г-6-Ф транспортируется в эндоплазматическую сеть, где
гидролизуется глюкозо-6-фосфат азой, которая связана
с мембраной ЭС.
Глюкозо-6-фосфатазная реакция
42

43.

Эндоплазмати́ческий рети́кулум (ЭПР) (лат. reticulum — сеточка) или
эндоплазматическая
сеть
(ЭПС)
—
внутриклеточный
органоид
эукариотической клетки, представляющий собой разветвлённую систему из
43
окружённых мембраной уплощённых полостей, пузырьков и канальцев.

44.

Регуляция глюконеогенеза
Глюконеогенез и гликолиз регулируются
реципрокно – если один путь в клетке
неактивный, второй активируется.
Скорость гликолиза определяется
кoнцентрацией глюкозы.
Скорост глюконеогенеза определяется
кoнцентрацией предшественников глюкозы.
44

45.

Регуляция глюконеогенеза
гормонами
Гормоны влияют на экспрессию генов изменяя
скорость транскрипции.
Инсулин стимулирует экспрессию
фосфофрукт окиназы и пируват киназы.
Глюкагон ингибирует экспрессию этих
ферментов и стимулирует продукцию
фосфоенолпируват карбоксикиназы и
фрукт озо-1,6-дифосфат азы.
45

46.

Предшественники глюконеогенеза
• Основные предшественники:
(1) Лактат
(2) Большинство аминокислот (особенно
аланин),
(3) Глицерол (при расщеплении жиров)
46

47. Цикл Кори

Печеночная лактатдегидрогеназа превращает лактат в пируват,
субстрат для глюконеогенеза.
Глюкоза, образованная в печени, транспортируется к
периферическим тканям с кровью
47

48.

Пентозофосфатный путь
48

49.

Роль пентозофосфатного пути
(1) Синтез НАДФН (для биосинтеза жирных
кислот и стероидов)
(2) Синтез рибозо-5-фосфата (для биосинтеза
ДНК и РНК и некоторых кофакторов)
(3) Обеспечивает метаболизм “необычных
сахаров” (4, 5 и 7 атомов Углерода).
В пентозофосфатном цикле АТФ не
синтезируется.
49

50.

Дефицит глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы – энзимопатия,
которая поражает сотни миллионов людей.
10 % людей средиземноморского региона имеют этот
генетический дефект.
Эритроциты со сниженым
уровнем восстановленного
глутатиона более
чувствительны к
гемолизу и легко
разрушаются, особенно
при интоксикациях
лекарствами (например,
антималярийными
препаратами).
В тяжелых случаях
массивная деструкция
эритроцитов может
привести к смерти.
Эритроциты, которые содержат
тельца Хейнца.
50